一种自适应螺旋行走管道机器人的制作方法

本发明涉及管道行走机械设备技术领域，特别一种自适应螺旋行走管道机器人。

背景技术：

管道经过一段时间之后，会发生诸如裂纹，腐蚀堵塞等损坏，由于管道内空间狭小，人工难以进入检查、修理、清洁，因此需要机器人代替人工进入管道内进行定期检查。管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走、携带一种或多种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机、电、仪一体化系统。

对于管道机器人的研究，以前对多轮支撑结构的研究较多，才研究传统轮式移动机器人直接用在圆形管道的检测和维护。空间多轮结构的管内机器人的轮子与壁面接触时，接触点与轮心的连线在柱面的半径方向上，并且轮子的行驶方向与柱面的母线平行，这是单个轮子在管道曲面上位姿的一种特殊情况。轮式移动机器人在管道中运行时，由于管道尺寸大小不、具有弯道和"t"型接头等，轮式移动机器人的每一个轮子在管道中的位姿是不可预测的产轮子的轴线方向可能不垂直于圆管的半径方向，所以有必要分析单个轮子在圆管曲面上任意位姿时满足纯滚动和无侧滑条件下的运动学特性。对于轮式管道机器人在实际应用过程沪遇到的问所譬如在弯管，和不规则管道时发生运动干涉，由于内耗造成的驱动力不足，由于壁面的变形万以及机器人本身的误差，导致机器人在管道中偏离正确的姿态，甚至侧翻和卡死这些问题。国内外的研究人员主要从结构上，如采用差速器、柔性联接等方面进行解决，但这会使结构更加复杂，增加成本。

可见，现有的管道机器人结构复杂、体积庞大、转弯不灵敏不能很好地适应直径不同的管道，为此，发明一种自适应螺旋行走管道机器人能有效解决管道作业难、不同管道适应性差等问题。极大的减少劳动力，提高作业的安全性，提高企业效益。本行走装置结构简单体积小，能适应不同直径的管道，可靠性高，智能性强。

技术实现要素：

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种自适应螺旋行走管道机器人，通过设置螺旋行走装置和导向支撑装置与转向机构结合作用，能有效的解决现有技术中管道作业难，且针对不同的管道，管道机器人适应性差的问题，大大的减少了劳动力。提高了作业的安全性和使用价值，其结构简单，使用成本低。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的自适应螺旋行走管道机器人，包括螺旋行走装置、驱动转向机构、导向支撑装置和控制系统；所述螺旋行走装置和导向支撑装置分别位于驱动转向机构的两端，控制系统与螺旋行走装置、驱动转向机构、导向支撑装置均电性连接；所述螺旋行走装置和导向支撑装置均包括有支撑轮、连杆机构、支撑盘和伺服电机；所述支撑轮通过连杆机构与伺服电机连接，支撑轮和连杆机构在伺服电机作用下动作；所述支撑轮、连杆机构和伺服电机整体位于支撑盘之间。采用连杆机构实现机器人在管道内的支撑，且根据管道内经的不同连杆支撑角度可自适应调整，利用伺服电机的特性实现连杆在管道内的张紧，以一种螺旋上升的方式在管道内行走，在管道弯折处导向支撑装置和驱动转向机构可实现机器人在管道内的转弯，其结构简单，体积小，能适用不同直接的管道的使用，可靠性高，智能性强。

进一步地，所述连杆机构包括连杆机构一和连杆机构二；所述连杆机构一设置在螺旋行走装置中，连杆机构二设置在导向支撑装置中；所述连杆机构一包括摇杆和连杆一，摇杆通过销钉与连杆一连接并固定在支撑盘上；所述连杆机构二包括滑杆和连杆二，滑杆通过销钉与连杆二连接并固定在支撑盘上。连杆机构的相关摇杆、滑杆和连杆能根据实际管道直径的大小进行调节，使得其能使得支撑轮能与管道内壁贴合作用，使其适用不同管道内壁直径的使用行走，保证管道检查、修理和清洁的便捷性和可靠性。

进一步地，所述螺旋行走装置包括支撑轮一、连杆机构一、齿轮一、轴套一、支撑盘一、支撑盘二和伺服电机一；所述支撑轮一与连杆机构一的摇杆端部连接，连杆一与短杆通过销钉连接，短杆与轴套一固定连接；所述轴套一上固定套设有齿轮一，轴套一与齿轮一固定在支撑盘一上；所述支撑盘二上设有伺服电机一和支撑轴，伺服电机一与齿轮一形成齿传动连接；所述支撑轴固定在支撑盘二上并位于轴套一内；所述支撑盘二与驱动转向机构连接。伺服电机与齿轮一形成啮合传动连接，使得齿轮一能在伺服电机的作用下带动支撑盘一及其上连接的机构部件整体转动，从而实现螺旋行走装置的动作，通过支撑轴与轴套一的相互作用保证了转盘一与转盘二之间的相对位置。

进一步地，所述支撑轮一至少设有三个，并沿支撑盘一圆周均匀布置；所述支撑轮一与支撑盘一呈15°夹角。夹角的设置使得螺旋行走过程中的螺旋行进位移适宜，从而保证对管道内壁的检查、修理和清洁质量好。

本发明的自适应螺旋行走管道机器人，所述导向支撑装置包括支撑轮二、连杆机构二、齿轮三、轴套二、支撑盘三、支撑盘四和伺服电机三；所述支撑轮二与连杆机构二的滑杆端部连接，滑杆通过销钉固定在支撑盘四上；所述连杆二与短杆通过销钉连接，短杆与轴套二固定连接；所述轴套二上固定套设有齿轮三，轴套二与齿轮三固定在支撑盘四上；所述支撑盘三上设有伺服电机三和支撑轴，伺服电机三与齿轮三成齿传动连接；所述支撑轴固定在支撑盘三上并位于轴套二内；所述支撑盘三与驱动转向机构连接。同样的，伺服电机三通过齿轮三使得支撑盘四及其上连接的相关机构部件整体转动，与螺旋行走装置共同作用，实现本发明的自适应螺旋行走管道机器人的稳定移动和转弯。

更进一步地，所述支撑轮二少设有三个，并沿支撑盘四圆周均匀布置；所述支撑轮二与支撑盘四呈90°夹角。该结构与螺旋行走装置结构配合，使得导向支撑装置能在螺旋行走装置行走过程中，在其产生的推理推动下，稳定的向前运动，当遇到弯管时，导向支撑装置和驱动转向机构实现导向和转弯的功能。

本发明的自适应螺旋行走管道机器人，所述驱动转向机构位于支撑盘二和支撑盘三之间，它包括十字万向节、齿轮二、伺服电机二和齿轮轴；所述十字万向节的一端与支撑盘二固定连接，另一端与齿轮轴固定连接；所述齿轮轴上固定套设有齿轮二，齿轮轴嵌套在支撑盘三上；所述伺服电机二固定设置在支撑盘三上，并与齿轮二呈齿传动连接。

由于采用上述结构，伺服电机二可驱动十字单向节整体转动，使得其能实现360°的弯折，从而实现不同管道弯折出的转向作用，保证本发明的自适应螺旋行走管道机器人的灵活转向作用，与螺旋行走机构共同作用，能够更加快速便捷的动作，还能保证其本身与螺旋行走机构以及导向支撑装置的相对位置，其结构简单，作用效果好。

本发明的自适应螺旋行走管道机器人，所述控制系统包括力传感器一、力传感器二、a/d转换器和单片机；所述力传感器一设置在摇杆上，力传感器二设置滑杆上；所述力传感器一与力传感器二均通过a/d转换器与单片机电性连接；所述单片机还与伺服电机一、伺服电机二和伺服电机三分别电性连接，并控制其动作。机器人放到管道中后伺服电机一、伺服电机三工作使连杆机构支撑开并抵住管壁，当支撑力达到设定值时力单片机发出信号，单片机控制伺服电机一、伺服电机三停止转动，同时伺服电机二开始转动驱动螺旋行走装置作螺旋运动，产生的推力推动导向支撑装置向前运动，当遇到弯管时导向支撑装置和万向节可实现导向转弯的功能。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明的自适应螺旋行走管道机器人结构简单，体积小，适用性好；

2、通过采用驱动转向机构与螺旋行走机构结合作用，使得其转弯灵活行较好；

3、在导向支撑装置和螺旋行走装置中设置连杆机构，使得本发明的自适应螺旋行走管道机器人能根据不同管道内径大小进行调节，使得其能实用不同直径的管道的使用，实用性强；

4、本发明的自适应螺旋行走管道机器人检查、修理和清洁效果好；

5、可靠性高，智能性强；

6、大大的减少了劳动力，提高的作业的安全性。

附图说明

图1是自适应螺旋行走管道机器人的结构示意简图；

图2是螺旋行走装置的结构示意简图；

图3是导向支撑装置的结构示意简图；

图4是自适应螺旋行走管道机器人的的工作流程图；

图中标记：1-支撑轮一，2-摇杆，3-连杆一，4-伺服电机一，5-轴套一，6-齿轮一，7-支撑盘一，8-力传感器一，9-支撑盘二，10-十字万向节，11-齿轮二，12-伺服电机二，13-支撑盘三，14-支撑轮二，15-力传感器二，16-滑杆，17-齿轮三，18-轴套二，19-连杆二，20-伺服电机三，21-支撑盘四，22-销钉，23-齿轮轴，24-支撑轴。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作详细的说明。

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所示，一种自适应螺旋行走管道机器人，包括螺旋行走装置、驱动转向机构、导向支撑装置和控制系统；螺旋行走装置和导向支撑装置分别位于驱动转向机构的两端，控制系统与螺旋行走装置、驱动转向机构、导向支撑装置均电性连接；螺旋行走装置和导向支撑装置均包括有支撑轮、连杆机构、支撑盘和伺服电机；支撑轮通过连杆机构与伺服电机连接，支撑轮和连杆机构在伺服电机作用下动作；支撑轮、连杆机构和伺服电机整体位于支撑盘之间。

连杆机构包括连杆机构一和连杆机构二；连杆机构一设置在螺旋行走装置中，连杆机构二设置在导向支撑装置中；连杆机构一包括摇杆2和连杆一3，摇杆2通过销钉22与连杆一3连接并固定在支撑盘上；连杆机构二包括滑杆16和连杆二19，滑杆16通过销钉22与连杆二19连接并固定在支撑盘上。

螺旋行走装置包括支撑轮一1、连杆机构一、齿轮一6、轴套一5、支撑盘一7、支撑盘二9和伺服电机一4；支撑轮一1与连杆机构一的摇杆2端部连接，连杆一3与短杆通过销钉22连接，短杆与轴套一5固定连接；轴套一5上固定套设有齿轮一6，轴套一5与齿轮一6固定在支撑盘一7上；支撑盘二9上设有伺服电机一4和支撑轴24，伺服电机一4与齿轮一6形成齿传动连接；支撑轴24固定在支撑盘二9上并位于轴套一5内，如图2所示；支撑盘二9与驱动转向机构连接。支撑轮一1至少设有三个，并沿支撑盘一7圆周均匀布置，保持结构的稳定性；支撑轮一1与支撑盘一7呈15°夹角。

导向支撑装置包括支撑轮二14、连杆机构二、齿轮三17、轴套二18、支撑盘三13、支撑盘四21和伺服电机三20；支撑轮二14与连杆机构二的滑杆16端部连接，滑杆16通过销钉22固定在支撑盘四21上；连杆二19与短杆通过销钉22连接，短杆与轴套二18固定连接；轴套二18上固定套设有齿轮三17，轴套二18与齿轮三17固定在支撑盘四21上；支撑盘三13上设有伺服电机三20和支撑轴24，伺服电机三20与齿轮三17成齿传动连接；支撑轴24固定在支撑盘三13上并位于轴套二18内，如图3所示；支撑盘三13与驱动转向机构连接；支撑轮二14少设有三个，并沿支撑盘四21圆周均匀布置；支撑轮二14与支撑盘四21呈90°夹角。

驱动转向机构位于支撑盘二9和支撑盘三13之间，它包括十字万向节10、齿轮二11、伺服电机二12和齿轮轴23；十字万向节10的一端与支撑盘二9固定连接，另一端与齿轮轴23固定连接；齿轮轴23上固定套设有齿轮二11，齿轮轴23嵌套在支撑盘三13上；伺服电机二12固定设置在支撑盘三13上，并与齿轮二11呈齿传动连接。

控制系统包括力传感器一8、力传感器二15、a/d转换器和单片机；力传感器一8设置在摇杆2上，力传感器二15设置滑杆16上；力传感器一8与力传感器二15均通过a/d转换器与单片机电性连接；单片机还与伺服电机一4、伺服电机二12和伺服电机三20分别电性连接，并控制其动作。

如图4所示，该自适应螺旋行走管道机器人的工作流程为：将机器人放到管道中后打开开关伺服电机一、伺服电机三工作使连杆机构支撑开并抵住管壁，力传感器一、力传感器二到压力数据，通过a/d转换器，送达单片机；单片机处理数据，启动程序并由单片机判断模拟量与初始设置的标准值是否控制达到标准，若达到则指示灯亮，若为未达到标准则由伺服电机转动以得到新的模拟量再输入单片机进行比较，直到支撑力达到初始设置的标准；单片机控制伺服电机一、伺服电机三停止转动，同时单片机控制伺服电机二开始转动驱动螺旋行走装置作螺旋运动，产生的推力推动导向支撑装置向前运动，当遇到弯管时导向支撑装置和万向节可实现导向转弯的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。